CN110535471B - 自举电路以及相关的模数转换电路 - Google Patents

Abstract

提供一种自举电路，该自举电路包括接收电路，开关电容器模块和启动电路。接收电路用于接收输入信号，根据控制信号选择性地输出输出信号；开关电容器模块用于根据所述输入信号产生所述控制信号；启动电路与所述接收电路耦接，用于当所述控制信号开始启用所述接收电路时施加初始电压到所述控制信号，以增加所述控制信号的电压电平。

Description

自举电路以及相关的模数转换电路

技术领域

本发明总体涉及电路领域，特别涉及一种自举电路。

背景技术

在传统的自举电路中，提供开关电容器(switched capacitor)以基于输入信号产生启动电压(booting voltage)。理想情况下，启动电压等于输入信号和参考电压(例如电源电压)的总和，然而，由于开关电容器的输出节点处的寄生电容，启动电压可能无法达到目标，并且后续电路的操作可能会受到影响。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种自举电路，其可以降低寄生电容的影响，以解决上述问题。

根据本发明的一个实施例，提供了一种自举电路，该自举电路包括接收电路，开关电容器模块和引导电路。接收电路接收输入信号，以根据控制信号选择性地输出输出信号。开关电容器模块耦合输入信号，用于根据输入信号产生控制信号。启动电路与接收电路耦接，并且被设置用于在控制信号开始启用接收电路时施加初始电压，以增加控制信号的电压电平。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种模数转换电路，该模数转换电路包括自举电路和转换电路，其中自举电路包括接收电路，开关电容器模块和启动电路。接收电路接收输入信号，根据控制信号选择性地输出输出信号。开关电容器模块耦合输入信号，用以根据输入信号产生控制信号。启动电路与接收电路耦接，并且被设置用于在控制信号开始启用晶体管时施加初始电压，以增加控制信号的电压电平。转换电路与自举电路耦接，并且被布置用于对输出信号执行模拟至数字转换操作以产生数字信号。

本发明实施例提供的自举电路和模数转换器，通过提供启动电路以增加施加到接收电路的控制信号的电压电平，以允许输入信号通过接收电路以产生输出信号。

在阅读了在各个附图和附图中示出的优选实施例的以下详细描述之后，本发明的这些和其他目的无疑将对本领域普通技术人员变得显而易见。

附图说明

结合附图阅读下面的详细描述，将更好地理解本发明的实施例。

图1是根据本发明的一个实施例示出的自举电路(bootstrap circuit)的示意图；

图2是根据本发明一个实施例示出的时钟信号，用于控制控制开关的信号和调节后的控制信号的示意图；

图3是根据本发明第一实施例示出的开关电容器模块和启动电路的示意图；

图4是根据本发明第二实施例示出的开关电容器模块和启动电路的示意图；

图5是根据本发明的一个实施例示出的ADC的示意图。

具体实施方式

在整个以下描述和权利要求中使用某些术语来指代特定系统组件。如本领域技术人员将理解的，制造商可以通过不同的名称来指代组件。本申请无意区分名称不同但功能相同的组件。在以下讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式的方式使用，因此应该被解释为表示“包括但不限于......”。术语“耦接”和“连接”旨在表示间接电连接或直接电连接。因此，如果第一设备耦接/连接到第二设备，则该耦接/连接可以直接电连接，或通过经由其他设备和连接的间接电连接。

图1是根据本发明的一个实施例示出的自举电路100的示意图。如图1所示。自举电路100包括接收电路(在该实施例中，晶体管110用于实现接收电路)，开关电容器模块120和启动电路130。在该实施例中，晶体管110由N型金属氧化物半导体(N-type Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS)实施，晶体管110被配置为在漏极处接收输入信号Vin，以根据栅极处的调节后控制信号Vc'在源极处产生输出信号Vout。开关电容器模块120包括多个开关SW1-SW4和电容器C，其中开关SW1耦接在电容器C的第一端N1和输入信号Vin之间，并且被配置为根据时钟信号CK选择性地向电容器的第一端N1提供输入信号Vin；开关SW2耦接于电容器C的第一端N1与地电压之间，用于根据反相时钟信号(inverted clock signal)CKB选择性地将地电压耦接至电容器C的第一端N1；开关SW3耦接于电容器C的第二端N2与电源电压VDD之间，用于根据反相时钟信号CKB选择性地将电源电压VDD耦接至电容器C的第二端N2；开关SW4耦接在电容器C的第二端N2和晶体管110的栅极之间，用于根据时钟信号CK，选择性地将电容器C的第二端N2连接到晶体管100的栅极。启动电路130包括耦接在电源电压VDD和晶体管110的栅极之间的控制开关SW5，并且被配置为参考信号Vp以选择性地连接电源电压VDD以向晶体管110的栅极提供初始电压Vib，以便调节由开关电容器模块120产生的控制信号Vc，以产生调节后的控制信号Vc'。

在自举电路100的操作中，晶体管110参考调节后的控制信号Vc'，以基于输入信号Vin选择性地产生输出信号Vout，即当时钟信号处于低电压电平时，由开关电容器模块120和启动电路130产生的调节后的控制信号Vc'禁用晶体管110，自举电路100不产生输出信号Vout；当时钟信号处于高电压电平时，由开关电容器模块120和启动电路130产生的调节后的控制信号Vc'启用晶体管110，输入信号Vin通过晶体管110以产生输出信号Vout。此外，启动电路130被配置为在控制信号Vc的上升沿(或时钟信号CK的上升沿)产生初始电压Vib，以增加控制信号Vc的电平以产生调节后的控制信号Vc'，如图2中的实线所示。在图2所示的实施例中，如果从自举电路100移除启动电路130，则虚线是控制信号Vc。通过使用启动电路130将初始电压Vib提供给晶体管110的栅极，晶体管110可以具有较低的阻抗，以及输出信号Vout可以具有更好的线性度，使得信号质量得到改善并且更适合于后续的电路。

详细地，当时钟信号CK处于低电压电平时，开关SW1和SW4被禁用，开关SW2和SW3被启用，电容器C的第一端N1是地电压，电容器C的第二端N2是电源电压。此时，晶体管110的栅极可以通过使用另一电路(在该实施例中未示出)连接到地电压，并且晶体管110被禁用，输入信号Vin不通过晶体管110。当时钟信号CK开始变高时，开关SW1和SW4被启用，开关SW2和SW3被禁用，并且控制信号Vc从VDD升压到(VDD+Vin)以启用晶体管110，并且输入信号Vin通过晶体管110以产生输出信号Vout。然而，由于晶体管110的栅极处的寄生电容，控制信号Vc可能达不到期望的电平(VDD+Vin)。为了解决这个问题，启动电路130提供初始电压Vib以增加控制信号Vc的电平，以使调节后的控制信号Vc'具有接近(VDD+Vin)的电压电平。

在该实施例中，由启动电路130产生的初始电压Vib是脉冲信号，即仅当控制信号Vc开始启用晶体管110时(例如，在控制信号的上升沿，或在时钟信号CK的上升沿)，初始电压Vib被提供给晶体管110的栅极。该设置可以在不引入其他副作用的情况下改善自举电路100的性能。

需要注意的是，图1中的晶体管110仅仅是示例性说明目的。在其他实施例中，晶体管110可以由任何其他接收电路代替，该接收电路可以根据调节后的控制信号Vc'被启用或禁用，以选择性地产生输出信号Vout到后续的电路。

图3是根据本发明第一实施例示出的开关电容器模块120和启动电路130的示意图。如图3所示，开关电容器模块120包括晶体管M1-M7，电容器C和反相器(inverter)210，并且启动电路130包括脉冲产生器211和用作图1所示的控制开关SW5的控制晶体管M8，其中脉冲产生器211包括反相器212和与非门(NAND gate)214，与非门214的一输入端与反相器212的输入耦接，且接收时钟信号CK，与非门214的另一输入端与反相器212的输出耦接，与非门214的输出端与控制晶体管M8的栅极耦接。

在图3所示的实施例的操作中，当时钟信号CK处于低电压电平时，晶体管M6和M7被启用以使调节后的控制信号Vc'为地电压，并且图1所示的晶体管110被禁用，输入信号Vin不会通过晶体管110。当时钟信号CK开始变高时，晶体管M7被禁用，晶体管M1-M5和电容器C产生控制信号Vc，脉冲产生器211产生脉冲以启用控制晶体管M8，以提供初始电压Vib，并且初始电压Vib通过晶体管M6以增加控制信号Vc的电压电平以产生调节后的控制信号Vc'。其中，在一实施方式中，晶体管M1-M4的功能和连接关系可以分别与图1中开关SW1-SW4的功能和连接关系相同。

在图3所示的实施例中，因为初始电压Vib通过晶体管M6提供给控制信号Vc，所以由启动电路130引起的寄生电容不会严重影响调节后的控制信号Vc'。

图4是根据本发明第二实施例示出的开关电容器模块120和启动电路130的示意图。如图4所示，开关电容器模块120包括晶体管M9-M16，三个电容器C1-C3和反相器310，并且启动电路130包括脉冲产生器311和用作图1所示的控制开关SW5的控制晶体管M17，其中，脉冲产生器311包括反相器312和与非门314。

在图4所示的实施例的操作中，当时钟信号CK处于低电压电平时，晶体管M11被启用以使调节后的控制信号Vc'为地电压，并且图1所示的晶体管110被禁用，以及输入信号Vin不会通过晶体管110。当时钟信号CK开始变高时，晶体管M9-M16和电容器C1-C3产生控制信号Vc，脉冲产生器311产生脉冲以启用控制晶体管M17，以提供初始电压Vib来增加控制信号Vc的电压电平，以产生调节后的控制信号Vc'。

需要注意的是，图3和图4所示出的实施例仅用于说明目的，而不是对本发明的限制。只要自举电路包括用于在控制信号Vc的上升沿处提供初始电压，以增加施加到图1所示的晶体管110的栅极的控制信号Vc的启动电路(初始启动电路)，开关电容器模块120和启动电路130可以具有其他电路结构，并且这些替代设计应当落入本发明的范围内。

图1中所示的自举电路100可适用于任何模拟电路，尤其适用于具有高频和高振幅的模拟电路。例如，自举电路100可以应用于模数转换器(ADC)的输入。图5是根据本发明一个实施例示出的ADC 500。如图5所示，ADC 500包括自举电路510和模数转换电路520，其中模数转换器520包括两个电容器阵列CA1和CA2，两个反相器522和524，一个运算放大器526和逐次逼近寄存器(successive approximation register，SAR)逻辑528。在图5所示的实施例中，自举电路510可以由图1中所示的两个自举电路100实施。自举电路510被配置为周期性地将输入信号Vinp和Vinn传递到模数转换电路520，并且模数转换电路520将输入信号Vinp和Vinn转换为数字信号Dout。需要注意的是，模数转换电路520仅示出了基本结构，因为本领域技术人员应该理解ADC的操作，因此这里省略了进一步的描述。

此外，图5中所示的SAR ADC仅用于说明目的，在其他实施例中，自举电路100可以应用于流水线ADC(pipeline ADC)，闪速ADC(flash ADC)或Σ-Δ调制器。

简而言之，在本发明的自举电路中，提供启动电路以增加施加到晶体管的控制信号的电压电平，以允许输入信号通过以产生输出信号。因此，可以改善自举电路的线性度，并且输出信号将更适合于后续的电路。

本领域技术人员将容易地观察到，可以在保留本发明的教导的同时对装置和方法进行多种修改和更改。因此，上述公开内容应被解释为仅受所附权利要求的范围和界限的限制。

Claims (7)

1.一种自举电路，其特征在于，包括：

接收电路，用于接收输入信号，根据控制信号选择性地输出输出信号；

开关电容器模块，用于根据所述输入信号产生所述控制信号；

启动电路，用于与所述接收电路耦接，用于当所述控制信号开始启用所述接收电路时施加初始电压，以增加所述控制信号的电压电平；

其中，通过使用时钟信号和反相时钟信号，所述开关电容器模块被控制，所述启动电路根据所述时钟信号或者所述反相时钟信号产生所述初始电压；

所述启动电路包括：

脉冲产生器，用于接收所述时钟信号或者所述反相时钟信号，以产生脉冲信号；

控制晶体管，包括栅极，第一电极和第二电极，其中所述控制晶体管的第一电极与电源电压耦接，所述控制晶体管在所述栅极处接收所述脉冲信号以选择性的将所述电源电压耦接到所述第二电极，以产生所述初始电压；

其中，所述接收电路包括晶体管，所述晶体管包括栅极，第一电极和第二电极，所述晶体管在所述第一电极处接收所述输入信号，并根据所述栅极处的所述控制信号在所述第二电极处产生所述输出信号。

2.根据权利要求1所述的自举电路，其特征在于，仅当所述控制信号开始启用所述晶体管时，所述启动电路将所述初始电压施加到所述晶体管的所述栅极。

3.根据权利要求1或者2所述的自举电路，其特征在于，所述初始电压是脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的自举电路，其特征在于，所述开关电容器模块包括：

电容器，具有第一端和第二端；

第一开关，耦接在所述电容器的所述第一端和所述输入信号之间，用于根据所述时钟信号选择性的向所述电容器的所述第一端提供输入信号；

第二开关，耦接在所述电容器的所述第一端和地电压之间，用于根据所述反相时钟信号选择性的将所述地电压耦接到所述电容器的所述第一端；

第三开关，耦接在所述电容器的所述第二端和电源电压之间，用于根据所述反相时钟信号选择性的将所述电源电压耦接到所述电容器的所述第二端；

第四开关，耦接在所述电容器的所述第二端和所述接收电路之间，用于根据所述时钟信号选择性的将所述电容器的所述第二端耦接到所述接收电路。

5.根据权利要求1所述的自举电路，其特征在于，所述启动电路用于当所述控制信号开始启用所述接收电路时施加初始电压到所述控制信号，以增加所述控制信号的电压电平。

6.根据权利要求4所述的自举电路，其特征在于，还包括第六开关和第七开关，其中所述第四开关的一端与所述电容器的所述第二端耦接，所述第四开关的另一端与所述第六开关的一端和所述接收电路耦接，所述第六开关的另一端与所述第七开关的一端耦接，所述第七开关的另一端与地电压耦接。

7.一种模数转换器，其特征在于，包括：权利要求1-6任一项所述的自举电路和转换电路，

所述转换电路，与所述自举电路耦接，用于对所述输出信号执行模数转换操作，以产生数字信号。

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